【物理】2019届一轮复习教科版交流电学案

【物理】2019届一轮复习教科版交流电学案

‎【本讲教育信息】‎ 一、教学内容：‎ 高考第一轮复习——交流电问题 二、学习目标：‎ ‎1、掌握交流发电机及其产生正弦式电流的原理、正弦交流电的图象及变化规律。‎ ‎2、理解描述交变电流的物理量及交流电的最大值与有效值、瞬时值、平均值的区别。‎ ‎3、理解变压器的工作原理及远距离输电的原理及其应用。‎ ‎4、重点掌握与交流电问题相关的重要的习题类型及其解法。‎ 考点地位：‎ 交流电的产生、描述交流电的物理量内容重点考查交流电的产生原理、交流电有效值与瞬时值的计算、正弦交流电的函数表达式、图象及利用函数关系式或图象求解涉及交流电的“四值”问题，出题形式多以选择题形式为主，如09年四川卷第17题、08年宁夏理综卷第19题、广东卷第5题、山东卷第20题，07年宁夏卷第17题、四川卷第15题，变压器原理、电能输送问题内容充分体现物理知识与日常生产生活实际的紧密结合，考题的形式主要是以选择题的形式出现，也可以通过计算题的形式考查，突出考查理解、推理能力，如09年广东卷第9题、山东卷第19题、08年北京理综卷第18题、天津卷第17题、07年广东卷第7题、山东卷第18题。‎ 三、重难点解析： ‎ ‎（一）交变电流 ‎1. 交变电流的概念 ‎（1）交变电流：大小和方向都随时间作周期性变化的电流叫做交变电流，简称交流电。‎ ‎（2）正弦式电流：随时间按正弦规律变化的电流叫做正弦式电流，正弦式电流的图象是正弦曲线，我国使用的交变电流都是正弦式电流。‎ ‎2. 正弦交变电流的产生及变化规律 ‎（1）正弦式电流的产生 ‎①产生方法：如图所示，将一个平面线圈置于匀强磁场中，并使它绕垂直于磁感线的轴匀速转动，线圈中就会产生正弦式电流。‎ ‎②中性面：中性面的特点是，线圈位于中性面时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应电动势为零；线圈经过中性面时，内部的电流方向要发生改变。‎ ‎（2）规律：N匝面积为S的线圈以角速率ω转动，从某次经过中性面开始计时，则，用表示峰值，则，电流。‎ ‎3. 交变电流的有效值 ‎（1）交变电流的有效值是根据电流的热效应来规定的，即在同一时间内，某一交流电能使同一电阻产生相等热量的直流电的数值，叫做该交流电的有效值。‎ ‎（2）正弦交流电的有效值与最大值之间的关系为：。各种交流电器设备上的标示值及交流电表上的测量值都指有效值。‎ ‎（3）正弦交变电流的图象如图所示（从中性面开始计时）‎ 物理量 物理含义 重要关系 适用情况及说明 瞬时值 交变电流某一时刻的值 计算线圈某时刻的受力情况，或力矩的瞬时值 最大值 最大的瞬时值 讨论电容器的击穿电压 有效值 跟交变电流的热效应等效的恒定电流值 对正（余）弦交流电 ‎1. 计算与电流的热效应有关的量（如功、功率、热量）等 ‎2. 电气设备“铭牌”上所标的一般是有效值 ‎3. 保险丝的熔断电流为有效值 平均值 交变电流图象中图线与时间轴所夹的面积与时间的比值 切不可套用 计算通过电路截面的电量 周期 完成一次周期性变化所用的时间 物理意义：表示交流变化快慢的物理量 频率 ‎1s内完成周期性变化的次数 我国民用交变电流：‎ 问题1、交流电“四值”的理解与运用：‎ 如图所示，匀强磁场的磁感应强度B=0.5T，边长L=10cm的正方形线圈abcd共100匝，线圈电阻r=1Ω，线圈绕垂直于磁感线的对称轴OO＇匀速转动，角速度为，外电路电阻，求：‎ ‎（1）转动过程中感应电动势的最大值；‎ ‎（2）由图示位置（线圈平面与磁感线平行）转过60°角时的瞬间感应电动势；‎ ‎（3）由图示位置转过60°角时的过程中产生的平均感应电动势；‎ ‎（4）交流电压表的示数；‎ ‎（5）转动一周外力做的功；‎ ‎（6）周期内通过R的电荷量为多少。‎ 解析：本题主要考查了交流电的产生及“四值”的计算方法。‎ ‎（1）感应电动势的最大值：‎ ‎（2）转过60°时瞬时感应电动势：‎ ‎（3）转过60°角的过程中产生的平均感应电动势：‎ ‎（4）电压表示数为外电压的有效值 ‎（5）转动一周所做的功等于电流产生的热量 ‎（6）周期内通过电阻R的电荷量 ‎=0.0866C 变式1：‎ 如图所示，单匝矩形闭合导线框abcd全部处于磁感应强度为B的水平匀强磁场中，线框面积为S，电阻为R。线框绕与cd边重合的竖直固定转轴以角速度匀速转动，线框中感应电流的有效值I= 。‎ 线框从中性面开始转过的过程中，通过导线横截面的电荷量q= 。‎ 答案：，‎ 变式2：‎ 如图所示，矩形线框的匝数n=250匝，，线框置于的匀强磁场中绕垂直于磁场的轴以120r/min匀速转动，线框通过滑环与外电路相连，外电路接有R=12Ω的电阻及一只发光的电压为12V的氖泡L，求：‎ ‎（1）当开关S接e时，表的读数为多少？R的热功率为多大？10min内外力对线框做功多少？‎ ‎（2）当开关S接f时，氖泡的闪光频率为多大？通电10min，氖泡发光的总时间为多少？（线框电阻不计）‎ 解析：（1）S接e时，有 代入数据得 ‎（2）S接f时，根据正弦曲线变化规律，由，即，可得 ‎，可知在交变电流的一个周期T内，氖泡闪光2次，一周期内的发光时间为，因，故氖泡闪光频率为4Hz，故通电10min，氖泡发光的总时间为：‎ ‎（二）变压器 ‎1. 变压器的构造：（如图所示）‎ ‎2. 变压器的工作原理 在原、副线圈上由于有交变电流而发生的互相感应现象，叫做互感现象，互感现象是变压器工作的基础。‎ ‎3. 理想变压器 理想变压器的磁通量全部集中在铁芯内，变压器没有能量损失，输入功率等于输出功率。‎ ‎（1）电压关系：‎ ‎（2）功率关系：‎ ‎（3）电流关系：‎ 说明：原、副线圈电流和匝数成反比的关系只适用于一个副线圈的情况。‎ 若干副线圈时：‎ ‎4. 理想变压器各物理量变化的决定关系 当理想变压器的原副线圈的匝数不变时，如果变压器的负载发生变化，确定其他有关物理量的变化，可依据以下原则判定（参见下图）：‎ ‎（1）输入电压U1决定输出电压U2。这是因为输出电压，当U1不变时，不论负载电阻R变化与否，U2不会改变。‎ ‎（2）输出电流I2决定输入电流I1. 在输入电压U1一定的情况下，输出电压U2也被完全确定。当负载电阻R增大时，I2减小，则I1相应减小；当负载电阻R减小时，I2增大，则I1相应增大。在使用变压器时，不能使变压器次级短路。‎ ‎（3）输出功率P2决定输入功率P1，理想变压器的输出功率与输入功率相等，即。在输入电压U1一定的情况下，当负载电阻R增大时，I2减小，则变压器输出功率减小，输入功率P1也将相应减小；当负载电阻R减小时，I2增大，变压器的输出功率增大，则输入功率P1也将增大。‎ 问题2、理想变压器原理的理解：‎ 如图中理想变压器原、副线圈匝数之比，原线圈两端连接光滑导轨，副线圈与电阻R相连组成闭合回路。当直导线AB在匀强磁场中沿导轨匀速地向右做切割磁感线运动时，安培表A1的读数是12mA，那么安培表A2的读数为（ ）‎ A. 0 B. 3mA C. 48mA D. 与R值大小有关 答案：A 变式3：‎ 如图所示，一理想变压器的原、副线圈分别由双线圈ab和cd（匝数都为n1）、ef和gh（匝数都为n2）组成，用I1和U1表示输入电流和电压，I2和U2表示输出电流和电压。在下列四种接法中，符合关系的有（ ）‎ A. a与c相连，b与d相连作为输入端；e与g相连，以f、h作为输出端 B. a与c相连，b与d相连作为输入端；f与g相连，以e、h作为输出端 C. b与c相连，以a与d为输入端；f与g相连，以e、h作为输出端 D. b与c相连，以a与d为输入端；e与g相连，以f、h作为输出端 答案：C 问题3、理想变压器的动态分析问题：‎ 如图所示，T为理想变压器，原线圈接在电压一定的正弦交变电源上，副线圈电路中接入三个电阻R1、R2、R3，各电表的电阻影响不计。当开关S合上时，各电表的示数变化情况是（ ）‎ A. A1示数变大 B. A2示数变大 C. V1示数变小 D. V2示数变大 答案：AB 变式4：‎ 如图所示，一个理想变压器的输入电压U1保持不变，灯泡L2、L3、L4为副线圈的负载，当滑动变阻器R0的滑片向下移动时，则下列判断正确的是（ ）‎ A. 灯L1变暗 B. 灯L2变亮 C. 灯L3变亮 D. 灯L4变暗 答案：A ‎（三）几种常见的变压器 ‎1. 自耦变压器（如调压变压器）‎ 铁芯上只绕一个线圈，可升压，可降压。‎ ‎2. 互感器 电压互感器（原线圈匝数比副线圈匝数多）用来将高压变成低压，以此测量高电压，如图甲所示。‎ 电流互感器（原线圈匝数比副线圈匝数少）用来将大电流变成小电流，以此测量大电流，如图乙所示。‎ ‎（四）电能的输送 远距离输电线路示意图如图所示。远距离输电时，由于输电线路上存在电阻，根据电流热效应Q=I2Rt，总有一部分电能损失在输电线路上。减小线路上的电能损失，有两种方法：一是减小导线上的电阻；二是减小输电线上通过的电流。‎ 根据可知，通过减小输电线路的电流，可减少线路的能量损失，即采用高压输电，这是减少线路电能损失的有效方法。‎ 两个关系：‎ ‎①输电过程的电压关系：‎ ‎②输电过程的功率关系： ‎ 问题4、远距离输电原理的理解及运用：‎ 有条河流，流量，落差5m，现利用其发电，若发电机总效率为50%，输出电压为240V，输电线总电阻R=30Ω，允许损失功率为输出功率的6%，为满足用电需求，则该输电线路所用理想的升压、降压变压器的匝数比各是多少？能使多少盏“220V 100W”的电灯正常发光？‎ 解析：将水流机械能转化为电能，实现远距离输电，应先确定电能的输出功率，再利用远距离输电示意图及规律求解。‎ 远距离输电示意图如图所示，设水的密度为ρ，电源输出功率 ‎，‎ 由题意 又，所以 故升压变压器匝数比 又因为 所以 正常发光的电灯盏数 变式5：‎ 某小型水电站的电能输送示意图如下。发电机的输出电压为200V，输电线总电阻为r，升压变压器原副线圈匝数分别为n1，n2。降压变压器原副线圈匝数分别为n3、n4（变压器均为理想变压器）。要使额定电压为220V的用电器正常工作，则（ ）‎ A. ‎ B. ‎ C. 升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压 D. 升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率 答案：AD